Розділ 2.3

ДЕФОРМАЦІЯ, РЕКРИСТАЛІЗАЦІЯ І МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ

2.3.1. Поняття про напруження

Під час експлуатації на деталі машин діють сили. Щоб оці­нити інтенсивність цих сил, вводять поняття про напруження. Для випадку одновісного розтягу (рис. 2.3.1, а) напруження о

Із формул (2.3.2) і (2.3.3) видно, що найбільше нормальне напруження о досягається при a = 0°, а максимальне дотичне напруження т — при a = 45°.

Наявність у зразку (деталі) концентраторів напружень у вигляді конструктивних надрізів, отворів, тріщин, а також внутрішніх дефектів матеріалу (тріщини, неметалеві вкрап­лення, газові порожнини та ін.) призводить до виникнення біля їх вершини високих напружень ov. Вони зростають зі змен­шенням радіуса заокруглення г (рис.2.3.1, г) і збільшенням глибини h.

2.3.2. Пружна і пластична деформації металів

Деформацією називається зміна розмірів і форми тіла під дією навантажень. Розрізняють пружну і пластичну де­формації.

Пружна деформація зникає після припинення дії наван­тажень, що її спричинили. Під час пружного деформування атоми кристалу зміщуються на відстані, значно менші від величини параметра елементарної комірки, коли зі зростан­ням міжатомних відстаней сили взаємного притягання атомів збільшуються. Після зняття навантажень атоми під дією цих сил повертаються у положення рівноваги, а тіло відновлює свої початкові розміри та форму. Нормальні напруження зу­мовлюють тільки пружну деформацію розтягу (рис.2.3.2), а дотичні напруження т (рис. 2.3.3, б) — кутову (зсувну). Пруж­на деформація не викликає помітних змін в структурі та влас­тивостях металу.

Рис. 2.3.3. Пружна (б) і пластична (в) деформації металу

під дією дотичного напруження т і т»_р відповідно:

а, г — положення атомів у ненапруженому тілі; б, є — положення атомів під дією

дотичних напружень т і т«_р; mm — площина ковзання

Пластичною, або залишковою, називається деформація, яка зберігається в тілі після зняття навантажень. На відміну від пружної під час пластичної деформації окремі групи атомів металу переміщаються на велику кількість міжатомних відста­ней. Після цього вони знову займають положення рівноваги, завдяки чому пластично деформований метал залишається су­цільним. Пластична деформація настає після досягнення дотич­ними напруженнями критичного рівня тк_Р (рис. 2.3.3, б). Вна­слідок дії цих напружень деформація стає необоротною: під час їх зняття зникає тільки пружна складова сумарної деформації (рис. 2.3.3, г), а пластична залишається.

Окремої уваги заслуговують залишкові деформації, зумов­лені дією неоднакового розширення (стиснення) поверхневих і внутрішніх шарів виробу, швидкого нагрівання (охолодження) або зміною об'єму певних структур під час поліморфних пере­творень. У залишковій деформації треба розрізняти пластичну незмінну в часі складову та пружну (в'язку) складову, яка по­ступово зменшується в часі, прямуючи до нуля.

Пластична деформація реалізується переважно двома шляхами: ковзанням, двійникуванням.

Ковзання є головним механізмом пластичної деформації. Під час ковзання частина кристалу пересувається відносно іншої його частини вздовж площини ковзання mm під дією дотичних напружень т, що досягли критичної величини т_Кр. Найлегше ковзання здійснюється у кристалографічних пло­щинах, де густина атомів максимальна. Міжатомна відстань

між такими площинами найбільша, а сили міжатомного при­тягання мінімальні.

Ковзання в реальному монокристалі відбувається внаслідок послідовного переміщення дислокацій. За рахунок напруження т_Кр дислокація поступово пересувається в площині ковзання ABCD (див. рис. 2.1.7, а), поки не вийде на поверхню кристалу і не утворить на ній сходинку (див. рис. 2.1.7, в) величиною у вектор Бюргерса. Звичайно, в цій площині перебуває не одна, а багато дислокацій і при виході їх на поверхню кристалу вели­чина сходинки збільшується. Після досягнення сходинкою пев­них лінійних розмірів її можна спостерігати на фоні поперед­ньо відполірованої поверхні в оптичному мікроскопі у вигляді лінії ковзання. Близько розташовані лінії ковзання утворюють смугу ковзання.

Під час ковзання генеруються все нові й нові дислокації. Внаслідок зростання кількості дислокацій метал зазнає дефор­маційного зміцнення. Подальшому рухові дислокацій заважа­ють такі перепони, як по-іншому орієнтовані дислокації, тверді складові структури, границі блоків і зерен тощо. Біля дислока­цій виникає поле напружень, завдяки якому сусідні дислокації відштовхуються. Метал з великою кількістю дислокацій дефор­мувати важче, ніж з малою їх кількістю. В місцях надто великого нагромадження дислокацій може утворитись навіть мікротріщина.

Ковзання в ідеальному кристалі без дислокацій повинно проходити шляхом одночасного переміщення всіх атомів, що перебувають у площині ковзання. Як свідчать теоретичні роз­рахунки, таке одночасне переміщення атомів вимагає дуже ви­соких напружень ткр, величина яких називається теоретич­ною міцністю металу. Теоретична міцність більша за реальну в сотні й тисячі разів.

Двійникування полягає в тому, що під дією дотичних на­пружень т (рис. 2.3.4) одна частина кристалу симетрично пере­орієнтовується відносно іншої його частини; площина симетрії є площиною двійникування. Механізм двійникування склад­ний, і ми його не розглядаємо. Двійникування відбувається пе­реважно в металах з гексагональною щільноукладеною криста­лічною коміркою.

Рис. 2.3.4. Схема утворення

двійника під дією дотичного

напруження т

У інженерній практиці маємо справу не з монокристалічними, а з полікристалічними матеріалами, що складаються із кристалітів різної орієнтації. Пластична деформація у полікрис­талах відбувається аналогічно, як і в монокристалах, тобто шля­хом ковзання та двійникування. Однак границі зерен з різною орієнтацією є перешкодою для одночасної деформації в усіх зер­нах. Насамперед деформуються ті зерна, кристалографічні пло­щини яких найсприятливіше розташовані відносно напрямку мак­симальних напружень. З ростом деформації ковзання охоплює все нові й нові зерна. Вони поступово видовжуються в напрямку напружень і врешті стають подібними до волокон у деревині.

Структуру, що складається із видовжених під час пластич­ної деформації зерен, називають волокнистою. Відомо, що міц­ність, ударна в'язкість і пластичність металу вздовж волокон вищі, ніж упоперек волокон. Тому потрібно виготовляти відпо­відальні деталі так, щоб напрямок діючих напружень збігався з орієнтацією волокон.